[发明专利]一种基于梯度的Bayer格式插值方法及基于FPGA的显示装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于梯度的Bayer格式插值方法及基于FPGA的显示装置，特别是涉及一种基于FPGA的将Bayer格式图像插值还原成24位真彩色图像的方法，适合要求需要高集成度、高分辨率、高速率和图形叠加的视频显示装置。

背景技术

当下的计算机技术发展惊人，但由于计算机只是一种高级的工具，需要受到人的控制和管理，因此人机交互技术得以发展。人机交互技术就是研究如何通过有效的方式实现人与计算机对话的技术。人机交互通常包括了计算机通过输出或显示设备给人提供大量信息及提示等，以及人通过输入设备向计算机输入有关信息等。而图像显示装置则是在人机交互装置中的重要组成部分。一个完整的图像显示装置的设计主要涉及了硬件和软件两个部分。传感器，显示器和中央处理器组成了硬件架构，软件设计模块则主要实现了信号的采集、处理，存储以及输出显示这几个功能。目前，图像显示装置己被广泛应用于许多领域。比如汽车电子，医疗设备，工业检测，航空电子等领域中显示装置都起着举足轻重的作用。

现有的图像显示装置通常是采用CMOS或CCD传感器采集原始的Bayer阵列图像。为了得到24位真彩色的图像，需要进行颜色插值操作，但多数效果较好的颜色插值算法都是非线性的，一般是基于二阶Laplacian变换得到，因此必须基于DSP来实现，处理速度往往受限于CPU的运算能力。因此充分利用FPGA的并行运算优势，选择适用的算法，成为了当今图像处理领域的一个发展趋势^[4]。在当前FPGA平台上通常会直接采用2x2插值或双线性插值算法，但前者会导致图像分辨率的缩小，后者会导致图像边缘细节上的模糊。虽然可以引入梯度方向的判断对双线性插值算法进行优化^[5]，但效果仍不尽如人意。在存储方面，目前的装置为了实现视频图像和参数图形画面的缓存，通常使用多片外载存储器进行存储，使得装置读写控制变得复杂。种种因素的集合意味着显示装置还有着提升的空间。

当应用于航空电子领域中时，显示装置作为机载电子装置的重要组成部分，在飞行过程中，可以显示飞机四周的外景实况和当前飞行的参数，能使座舱的显示变得更加直观、方便和灵活三种，但也因此对装置的集成度，图像分辨率，和仪表的清晰、实时的叠加显示提出了更高的要求。

当前比较常用的机载显示装置多是采用FPGA作为协从处理器配合主处理器DSP进行数据的采集和运算，这样的组合会造成装置的结构变得复杂，不易于对装置进行升级和移植^[1]。比如北京航空航天大学针对视频图像采集与处理的应用要求，提出了基于双核DSP搭配FPGA的构架设计^[2]，DSP作为主处理器，通过其专用的PPI视频接口配合DMA控制器控制视频图像的采集、存储。FPGA作为协处理器，完成对视频图像的预处理中并为DSP提供部分寄存器扩展。该方案实现了视频图像的实时采集与处理,具有良好的实时性，但装置集成度不高，设计过程复杂。北京中科院同样设计了一种基于DSP和FPGA的硬件平台^[3]，平台采用DSP协同两片FPGA芯片同时工作的方式实现如视频采集模块、输入缓存模块、视频处理模块、视频输出缓存模块和视频图像链路传输模块的功能，并在这个平台上实现了一种彩色视频图像增强算法。缺点是装置复杂度较高，运算时间较长。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于梯度的Bayer格式插值方法及装置，本发明的方法在插值效果上比一般的线性算法更好，同时在算法的复杂度上没有太多提升；设计的显示装置可以根据不同的要求快速，稳定的采集并清晰显示叠加了参数图形的视频图像且结构简单，集成度高，具有较高的可移植性和实用价值。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种基于梯度的Bayer格式插值方法，包括以下具体步骤：

步骤1，获取5x5像素模板，该模板包括待插值的目标像素点及其5x5邻域内的其他像素点；

步骤2，若目标像素点为绿色分量即其行列地址奇偶性相同，则采用双线性插值法得到目标像素点插值处理后的RGB颜色值，进入步骤6；若目标像素点为红色或蓝色分量即其行列地址奇偶性不同，则进入步骤3；

步骤3，计算目标像素点3x3邻域内每个像素点的水平、垂直梯度以及左、右对角线梯度，并根据水平、垂直梯度的比值关系和左、右对角线梯度的比值关系得到每个像素点的2个方向标志flag1和flag2；